java虚拟机运行时数据区域-程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈，堆等

​内容摘抄自《深入理解Java虚拟机 第三版》
java虚拟机在运行java程序时会把内存划分为几个不同的数据区域，这些区域各有用途，创建及销毁时间。根据《Java虚拟机规范》规定，java虚拟机包含以下几个内存区域：程序计数器，虚拟机栈，堆，方法区，本地方法栈

1.1.1 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看做当前线程的执行字节码的行号指示器。java概念模型中，字节码解释器，就是通过改变这个计数器的值来获取下一条执行字节码指令。它是程序控制流的指示器，分支，循环，跳转，异常处理都依赖这个计数器完成。

​ 多线程是通过线程轮流切换，分配处理器执行时间来实现的。在任意时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。为了线程切换后能够恢复正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储。因此，这类内存区域为线程私有的内存。

​ 如果线程执行的是java方法，那么计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码的指令地址；如果是本地方法，这个计数器应为空。

​ 程序计数器是规范中，唯一一个没有任何OutOfMemoryError的区域。

1.1.2 java虚拟机栈

​ 与程序计数器一样，java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

​ 虚拟机栈描述的是java方法执行的线程的内存模型：方法被执行时，虚拟机会创建栈帧（stack frame）用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。

​ 每一个方法被调用至执行完毕，都对应着一个栈帧在虚拟机从入栈到出栈过程。

​ 通常情况下所说的栈就是指虚拟机栈，但大多数情况下指的是局部变量表

​ 局部变量表存储了由编译期间可知的各种java虚拟机的基本数据类型（八种基本数据类型），对象引用（reference类型，不等同与对象本身，可能是指向对象其起始地址的指针引用，也可能是代表对象的句柄或其他）和returnAddress（指向了一条字节码指令地址）类型

​ 这些变量在局部变量表的存储空间是以局部变量槽（slot）来表示的，64位的long和double占用2个变量槽，其余数据类型占用一个变量槽。局部变量表所需的空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个局部变量表在栈帧中分配多大的局部变量空间是确定的，运行期间不会改变表的大小。此处的大小，不是指实际内存大小，而是指局部变量槽的数量。

​ 在《java虚拟机规范》中，对这个区域规定了两类异常状况：

	1.  如果线程请求的栈的深度大于虚拟机所允许的最大深度，抛出StackOverflowError
	2.  如果虚拟机的占容量可以动态扩容，当栈扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError异常

1.1.3 本地方法栈

​ 本地方法栈（native Method Stack）与虚拟机栈的作用十分相似。其区别在于，虚拟机栈服务于虚拟机执行的java方法（也就是字节码），而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地方法（Native Method）服务

​ 与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError，OutOfMemoryError异常。

java方法：是由java语言编写，编译成字节码，存储在class文件中的。java方法是与平台无关的。

本地方法：本地方法是由其他语言（如C、C++ ）编写，编译成和处理器相关的代码。

本地方法保存在动态连接库中，格式是各个平台专用的，运行中的java程序调用本地方法时，虚拟机装载包含这个本地方法的动态库，并调用这个方法。

1.1.4 堆

堆（java heap）是虚拟机所管理的内存区域中最大的一块，jvm堆是被所有线程共享的一块内存，在虚拟机启动时创建。其唯一作用就是存储对象的实例。

《java虚拟机规范》中规定：“所有对象实例以及数组都应该在堆上分配”，但是对于现今java语言发展，对象实例都在堆上分配变得不是那么绝对了。

java堆可以处于物理上的不连续的内存空间中，但是在逻辑上应视为连续的。

java堆既可以被实现为固定大小，也可以被实现为可扩展的，当今主流的java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，java虚拟机将抛出OutOfMemoryError异常

1.1.5 方法区

方法区（Method Area）与java堆一样，也是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息，常量，静态变量，即时编译器编译的代码缓存等。方法区虽然没有被描述为逻辑部分，但是通常称为“非堆”

说到方法区，与之相关的是另一个概念“永久代”，尤其在jdk1.8之前，许多java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发，部署程序，很多人愿意将方法区称呼为“永久代”或两者混为一谈。

两者是不等价的，因为仅仅是当时的HotSpot团队把收集器的分代设计扩展到方法区，或者说用永久代来实现方法区。

在jdk1.6时HotSpot团队就有意放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了，到了jdk1.7的HotSpot已经把字符串常量池，静态变量移出，而到了jdk1.8，终于放弃了永久代的概念，改用与JRockit，J9一样的本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把JDK1.7的剩余部分（类型信息）全部移到元空间中

《Java虚拟机规范》对方法区的要求是十分宽松的，除了和堆一样，不需要连续内存和可选固定大小或者可扩展外，还可以不实现垃圾收集。

相对而言，垃圾收集在方法区比较少出现，但不是数据进入了方法区就永久存在了。

方法区的内存回收主要对常量池的回收，和类型的卸载。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配的需求时，将抛出OutOfMemoryError的异常

1.1.6 运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的已部分，Class文件中除了有类的版本，字段，方法，接口等描述信息外。还有一部分叫常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的字面量与符号引用，这部分在类加载后放到方法取得运行时常量池中。

虚拟机除了把Class文件中的符号引用保存外，也会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储到运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件的常量池的一个重要特征是具备动态性。Java不要求常量一定在编译期间产生，也就是说运行期间也能把新的常量放入常量池中。例如：String的inter()方法

作为方法区的有一部分，收到方法区的内存的限制，当常量池无法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

1.1.7 直接内存

直接内存（DIrect Memory）并不是虚拟机的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。但是这部分内存也是被经常使用的，而导致OutOfMemory异常。

JDK1.4后加入了NIO（New Input/Output）类，并引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配对外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer的对象最为这块内存的直接引用进行操作。这样可以提高性能，kafka的mmap就是利用了这种机制，减少了数据的copy次数，减少了用户态和内核态的交互次数，避免了Java堆和Native堆的来回复制数据。

显然，本金直接内存的分配不会收到Java堆的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际的内训去设置-Xmx等参数的信息，但是经常忽略直接内存，导致各个内存区域的总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。